三维激光雷达扫描技术在古建筑测量与建模中的应用

中国是文明古国，有着源远流长的文化历史，也留下了无数物质遗产，其中就包括众多历史建筑，包括故宫等。对于这些古建筑，想要保护修缮它们并不容易，既不能破坏古建筑的文物价值，又要对其进行修缮，单单就是古建筑精密测量与建模、文物保护的数字化档案存储和可视化建模展示等就是个大难题。而这些难题随着科技的日益发展，已经可以得到有效的解决，这里面就少不了运用激光雷达。

激光雷达用于古建筑精密测量与建模，属于测绘科学与技术精密测量领域。利用这一技术，能实现文物保护的数字化档案存储和可视化建模展示，社会效益深远。利用三维激光雷达扫描技术定期对重点建筑物进行定期观测，可以研究古建筑物的变形情况；运用贴好纹理的模型制作虚拟建筑群，让普通人足不出户就可以进入虚拟空间游览著名古建筑……

传统方法之一是利用钢尺和水准仪量取建筑的平面、立面或剖面的特征点的位置和相应特征线的距离，进而绘出线性特征图；比较先进些的方法主要是运用GPS、全站仪或者是测量机器人等仪器量测来获取特征点和特征线；还有一种方法是采用近景摄影测量的方法，运用摄影测量的原理来获取物方点的三维坐标，从而提取建筑物的线性特征。这些方法在实际应用中都各有优缺点。

前两种方法运用的工具比较容易获取，但获取的建筑物的立面信息比较少，不能很好的表达古建筑立面、平面、剖面的复杂特征，并且耗费的时间较长。后一种方法的特点是建筑物立面信息获取比较丰富，但该方法需要用专用的量测相机，并且受到现场的客观条件的限制，而且还会出现树木遮挡之类的问题。

传统的记录古建筑内部大木结构的方法，是用拍照和拉皮尺进行量测和记录。但是一般古建筑的大木结构比较复杂，使用传统方法获得大木结构的实体曲面模型是一件相当困难和耗时的工作。

而运用三维激光雷达扫描技术，能够在很大程度上轻松解决这些技术难点。激光扫描仪通过运用激光束从被发射到激光束到达被测物体再被反射回扫描仪的时间差，得到扫描仪到被测物体的距离，再运用连续转动的用来反射脉冲激光的镜子的角度值得到被测物体的三维坐标。然后利用三维点云数据和相应的建模软件制作出三角网模型和Nurbs模型，最后利用这两种模型来提取古建筑的线性特征。用三角网模型制作立面图；用三角网模型和Nurbs模型来制作平面图和剖面图。

利用激光雷达技术提取古建筑的线性特征所运用的是逆向工程的理论。现有的建筑测绘是应用常用的测绘仪器（如测量机器人、全站仪等）正向地提取现有建筑物的特征点，然后画出建筑物的线性特征；而激光雷达扫描技术是通过非接触式扫描来快速、高密度、高精度地获取建筑物表面的三维数据，然后运用点云模型来建立建筑物的实体模型，是在得到建筑物整体模型的前提下来描绘或者剖取建筑物的线性特征，与其它方法相比是逆向的过程。

激光雷达数据获取了建筑物表面每一点的三维坐标，所以提取的线性特征上的每一点也具有真实的三维坐标，这是目前现有的所有方法所不能相比的。这些特性使得三维激光扫描技术在古建筑的维护和重建方面拥有了宽广的应用前景。